Предложен сканирующий струйный нанолитограф и способы его работы, содержащий одно или более сопел для создания струи или струй из химически или физически активного вещества, (стр. 2 из 4)

Использование методов сканирующей туннельной микроскопии для нанолитографии позволяет получить достаточно яркие (сильноточные) источники электронов для осуществления локальных химических реакций и получить высокую разрешающую способность менее 0.1 нм. Но здесь возникают другие проблемы. По существу, химические реакции осуществляются последовательно с отдельными атомами или молекулами и время каждой реакции составляет 10^-8-10^-9 с. Из-за этого на создание одного пикселя рисунка размером 14,5×14,5 нм требуется 2×10^-4 с. Тогда при сканировании только 1 см² с числом пикселей 4,7×10¹¹ потребуется несколько месяцев непрерывной работы. Из-за использования механических систем сканирования на пьезокерамике поле обзора имеет размеры всего в 10-100 мкм². Кроме того, из-за механического гистерезиса пьезокерамики невозможно вернуть зондовую иглу микроскопа в начальную точку, что вызывает проблему совмещения. Аналогичные проблемы имеют AFM и SNOM. Кроме того, в этих системах контроль осуществляется после изготовления топологического рисунка, что значительно усложняет и удлиняет весь процесс.

Как следует из вышесказанного, существует ряд проблем для последовательных способов нанолитографии, которые должны быть решены для возможности создания серийных установок.

В предлагаемом изобретении в качестве прототипов используется объединение широко известных принципов работы следующих устройств: струйного принтера, осуществляющего формирование рисунка с помощью капель посредством механического сканирования по листу, сканирующего электронного микроскопа, осуществляющего сканирование посредством тонкого электронного пучка по большим площадям, устройство для электрического управления пространственной структурой узкополосных световых пучков. Однако эти устройства не пригодны для нанолитографии

Раскрытие изобретения. Задачей изобретения сканирующего струйного нанолитографа является увеличение площади сканирования до 1-10 см² при увеличении производительности до 1-10 мин на создание одного слоя топологического рисунка интегральной схемы с разрешением не менее 7,25 нм и осуществление возможности наблюдения и контроля за процессом изготовления, в реальном режиме времени технологического процесса.

Возможным решением проблемы является использование в нанолитографии жидких струй несколько нанометров в диаметре [4-5]. Однако теоретические расчеты движения наноструи в [5] показывают, что наноструи при выходе из капилляра расширяются и распадаются, что делает их применение затруднительным на больших расстояниях от подложки. Кроме того, трудно сформировать наноструи из химически активного вещества избегая реакций со стенками сопла, так как покрытие их золотом не дает должной эффективности [5].

Чтобы создать нераспадающуюся жидкую нанострую, двигающуюся в вакууме на расстояние до 10 см и способную просканировать площадь 1-10 см², учтем все факторы, воздействующие на нанострую при ее движении в капилляре и выходе ее в вакуум [6].

Известно, что в жидкости при атмосферном давлении возникают наноразмерные пузырьки – бабстоны с диаметром 10 нм и плотностью до 10¹² штук на см³ [7]. Движение этих бабстонов в струе может вызвать нестационарные эффекты – распад струи и кавитационные процессы на поверхности подложки при попадании на нее струи. Это может привести к неконтролируемым процессам и дефектам при создании топологического рисунка. Капиллярное давление в бабстоне определяется соотношением

, где s- поверхностное натяжение, а r_b – радиус бабстона. Например, для воды в нормальных условиях P= 1.57 МПа. При увеличении внешнего давления воды до давления порядка 1.6 МПа бабстоны исчезают. Поэтому для создания однородной водяной наноструи необходимо создавать в ней давление как минимум 1.6 МПа. [8].

Условие устойчивости струи при выходе из капилляра можно рассчитать из отношения коэффициента поверхностного натяжения s к динамической вязкости жидкости h. Для диэлектрических жидкостей критическая скорость, при которой жидкость продолжает совершать ламинарное движение, не превышает

. Для воды это значение равно 72 м/с. Эксперименты показывают, что можно получить стабильную длинную струю только при учете этой критической скорости [9]. В работе [4] теоретически исследовалась струя при скорости 400м/с, что на порядок превышает критическую скорость. Это явилось основной причиной невозможности получить ими устойчивой струи.

Процесс создания топологического рисунка подразумевает либо нанесение вещества на подложку, либо травление самой подложки. Причем для нанесения рисунка на различные подложки требуется широкий класс материалов, например проводники, полупроводники, диэлектрики. Для травления используются химически активные вещества, индивидуальные для каждого материала подложки. Поэтому надо найти способ, чтобы активное вещество минимально соприкасалось с капилляром.

Учитывая все вышеизложенные факторы, воздействующие на нанострую при ее движении в капилляре и выходе ее в вакуум мы предлагаем следующий метод создания наноструи [6].

Жидкость под давлением, необходимым для схлопывания бабстонов, подается в сходящееся полое волокно из плавленого кварцевого стекла, в стенки которого запускается лазерный пучок. Сходящийся капилляр позволяет концентрировать энергию лазерного излучения в зоне активации жидкости в сопле капилляра. Оптическое излучение оказывает радиационное давление на вещество и препятствует его контакту со стенками. В работе [10] показаны пути формирования оптических пучков с заданной пространственной структурой. Волокно покрывается металлической пленкой, для того, чтобы излучение не покидало его пределов. Давление, создаваемое фотонами, будет определяться сечением поглощения атомами. Максимальное давление света создается при резонансном поглощении. Сила резонансного давления на атом F определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в единицу времени:

, где - импульс одного фотона, - сечение поглощения резонансного фотона, l - длина волны света. При насыщении среды сила светового давления перестает зависеть от интенсивности и определяется скоростью спонтанных актов испускания. Для типичных значений скорости спонтанного испускания 10^-8 с и длины волны света порядка 0,6 нм можно получить F » 5 ×10^-3 эВ/см. Для стоячей лазерной волны давление света обуславливается действием пространственно неоднородного поля на наведенный им атомный диполь. Максимальная сила давления света по порядку величины равняется , где d – момент диполя. Для d»1 дебай, l»0,6 мкм, E»10⁶ В/см, сила F » 5 ×10² эВ/см. Если в резонаторе создать две стоячие волны с небольшой растройкой, то с помощью величины этой растройки или интенсивности стоячих волн можно управлять напрвлением движения атомов, то есть существует возможность управлять наноструей – разворачивать ее в пространстве.

Для примера в качестве используемого вещества можно взять любой углеводород. Разрывая его C—H связи мы формируем радикалы, которые химически очень активны. Для разрыва такой связи нужна энергия 4,28 эВ, т.е. излучение длиной 289 нм. Для уменьшения стоимости установки можно использовать полупроводниковые лазеры (вторая гармоника или двухфотонный режим возбуждения молекул). Для отталкивания жидкости от стенок предлагается использовать это же излучение. Необходимые для создания нанолитографической маски радикалы можно создавать только в небольшой области на выходе из волокна. Скорость струи должна быть таковой, чтобы молекула успела поглотить фотон и не успела вступить в реакцию с другими молекулами. Для времен поглощения порядка 10^-9÷10^-8 секунд в нашей конфигурации это скорость 10-100 м/с., но она не должна превышать критическую скорость, при которой жидкость продолжает совершать ламинарное движение или потребуется формировать струю из отдельных сферических капель. Мощность излучения, достаточная для разрыва C—H связей во всех молекулах составляет порядка 10⁶÷10⁷ Вт/см², давление, создаваемое таким излучением может достигать 5 ГПа, что не превышает предельную прочность волокон на разрыв при растяжении.

При выходе наноструи из сопла, поверхностное натяжение совместно с радиальной силой, вызванной импульсами отдачи переизлучаемых молекулами фотонов создают пространственно устойчивую струю. Временное управление струей можно осуществлять длительностью лазерного импульса, а также формировать струю в виде отдельных капель. Естественным затвором будет являться капиллярное давление капли жидкости на выходном отверстии сопла

, где r_s – радиус сопла. Например, для воды при r_s=7,25 нм капиллярное давление на крае сопла P_s»20 МПа.